C++内存管理 - 码农教程

1.C/C++内存分布

【说明】

栈又叫堆栈，非静态局部变量/函数参数/返回值等，栈是向下增长的。
内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享内存，做进程间通信。
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
数据段-存储全局数据和静态数据。
代码段-可执行的代码/只读常量。

2.C语言中动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc和free

void Test()
{
	int *p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);

	free(p3);
}

3.C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式，通过new和delete操作符进行动态内存管理。
3.1 new/delete 操作内置类型

void Test()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间
	int ptr6 = new int[10];

	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	//注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]
}

3.2 new和delete操作自定义类型

class Test
{
public:
	Test()
		:_data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}

	~Test()
	{
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};

void Test()
{
	//申请单个Test类型的对象
	Test* p1 = new Test;
	delete p1;

	//申请10个Test类型的对象
	Test* p2 = new Test[10];
	delete[] p2;
}

【注意】：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free不会。

4. operator new与operator delete函数
new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new和operator delete是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete底层通过operator delete全局函数来释放空间

/*
operator new: 该函数实际通过malloc来申请空间，
当malloc'申请空间成功时直接返回；申请空间失败，
尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，
则继续申请，否则抛异常
*/
void *_CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	//try to allocate size bytes
	void *p;
	while((p == malloc(size)) == 0)
		if(_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			//如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

**operator new实际也是通过malloc来申请空间，**如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete最终是通过free来释放空间的

下面代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属operator new/operator delete,实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率.

struct LlistNode
{
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;
	int _data;

	void* operator new(size_t n)
	{
		void* p = nullptr;
		p = allocator<ListNode>().allocate(1);
		cout << "memory pool allocate" << endl;
		return p;
	}

	void operator delete(void* p)
	{
		allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
		cout << "memory pool deallocate" << endl;
	}
};

class List
{
public:
	List()
	{
		_head = new ListNode;
		_head->next = _head;
		_head->prev = _head;
	}

	~List()
	{
		ListNode* cur = _head->next;
		while(cur != _head)
		{
			ListNode* next = cur->_next;
			delete cur;
			cur = next;
		}

		delete _head;
		_head = nullptr;
	}

private:
	ListNode* _head;
};

int main()
{
	List l;

	return 0;
}

5.new和delete的实现原理

5.1 内置类型
如果申请的是内置类型空间，new和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，而且new在申请空间失败时就会抛异常，malloc会返回NULL。
5.2 自定义类型

new的原理
1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete的原理
1. 在空间上执行析构函数，完成对象中的资源清理工作
2. 调用operator delete函数释放对象的空间
new T[N]的原理
1. 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请
2. 在申请的空间上执行N此构造函数
delete[]的原理
1. 在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

6. 内存泄漏

6.1 什么是内存泄漏
内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄露并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费

void MemoryLeaks()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int *p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p2 = new int[10];

	Func(); // 这里Func函数抛异常导致delete[] p3未执行，p3没有被释放
	delete[] p3;
}

6.2 内存泄漏分类

堆内存泄漏（Heap leak）
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc/calloc/realloc/new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的free或delete删掉，加入程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生内存泄漏。
系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

6.3 如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps: 这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出现问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
采用RAII思想或者只能指针来管理资源。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库，这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。ps: 不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

【总结】
内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1.事先预防型，如智能指针等。2.事后查错型。如泄漏检测工具。